种子行业的结构性变化

我们如何利用最先进的技术培育高附加值的作物品种，同时节省研发的时间和成本？

 

 

种业通过推出新品种来创造附加值。每个新品种的总投入约为1.36亿美元，并且根据育种方法的不同，需要8到10年的开发时间。由于开发新品种的成本高昂，种子公司往往投资于广泛种植的作物以及大规模农业系统，例如美国的玉米和巴西的大豆。然而，如此高度集中的产品组合可能存在风险。例如，草甘膦使用禁令会影响145个玉米品种、23个大豆品种、22个棉花品种和15个油菜品种的销售。因此，在种业取得成功的关键在于懂得如何精准地提供满足农民/消费者需求的新品种。

 

想象一下，农民像订购MacBook一样在线订购种子：定制马铃薯果肉的颜色、定制大豆的脂肪酸比例、定制抗虫/抗病性等。性状可以根据他们的需求进行调整。更重要的是，这还可以预测产量。在这种场景下，种子公司根据下达的订单制定生产计划。没有库存压力，不会浪费研究资源。消费者可以通过与农民沟通需求来选择自己的食物。

 

我们如何从当前系统迈向这样的未来场景？一切都始于基因编辑工具CRISPR/Cas。简而言之，该工具利用两个主要组成部分——CRISPR和Cas，使我们能够在基因组的任意位置进行编辑。Cas是指执行DNA切割的蛋白质。CRISPR是指引导Cas到达基因组中目标切割位置的DNA序列，它最初是细菌免疫系统使用的机制，于1987年首次在大肠杆菌基因组中被发现。自2012年以来，CRISPR/Cas系统已被证明可以编程用于靶向DNA切割，并已应用于人类疾病治疗、动物育种以及植物育种等领域。该系统可通过三个步骤编辑基因：

 

1. 在基因组（DNA序列）中寻找要编辑的对应位置

2. 切割DNA

3. 用所需的DNA去除/替换不需要的DNA。
 

基因编辑就像在Microsoft Word中纠错：寻找错别字（找到要编辑的基因）、删除错别字（切割DNA）、替换为正确的单词（粘贴新DNA）。

 

科迪华正在将CRISPR/Cas作为育种工具用于一个玉米品种，这使育种周期从8年缩短至5年。CRISPR/Cas与传统转基因的优缺点如下所示。

 

 

与传统转基因方法不同，CRISPR/Cas需要针对基因组中特定位置的精确指令才能进行基因编辑。这需要更多关于基因组的信息，而只有少数作物积累了足够的知识（例如玉米、大豆和水稻）。

 

短期内，种子公司可以编辑基因功能已知的作物，但许多基因功能仍然缺失，例如耐旱性。

 

为了加快作物基因功能研究，植物科学家一直在使用最先进的技术，包括使用无人机采集图像、利用信息技术揭示新的调控网络，以及利用深度学习训练计算机进行高通量表型分析。海量的数据输入有助于开发产量预测模型。结合最新的测序技术和良好的预测模型，通过作物的基因组序列准确预测产量将是可行的。这将节省育种的大量时间和资金，并降低风险。

 

传感器和无人机等技术可以在给定的时间和空间内收集更多数据，这意味着可以获得更多细节用于理解作物表现。然而，要从成百上千张图像中提取信息，需要（生物）信息学领域的研究人员。然而，这类专家很难找到，因为农业领域的薪资往往缺乏吸引力，这意味着可能缺乏能够处理海量数据的人才。

 

综上所述，实现定制化育种的关键是数据（表型组和基因组数据）、建模和基因编辑。首先，利用表型组和基因组数据建立基因与其功能之间的关系。其次，通过建模预测给定基因型的表现。最后，通过基因编辑尽快创造出所需的基因型。

 

结论
 

对种子公司而言，育种一直是一项漫长而昂贵的任务，但新技术将改变这一现状。有三种技术（基因编辑、表型分析、深度学习）可以在缩短育种周期和降低成本方面发挥作用。基因编辑使我们能够精确编辑作物的基因组而不丢失高产背景，从而节省时间。无人机表型分析提高了数据采集效率，而深度学习提高了数据处理效率。随着农业实践中ICT驱动的数字化与生物技术的融合，种业将转向预测性和以客户需求为导向的育种策略。